Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ЕЛЕКТРОНИ В АТОМІ

Вивчивши зміст глави 5, студенти повинні:

знати

  • • основи квантово-механічних уявлень про стан і рух електрона в атомі;
  • • характеристику стану електрона квантовими числами;
  • • основи уявлень про будову електронних оболонок атома;

вміти

  • • зв'язати електронну будову атома з наслідками, що випливають з періодичного закону;
  • • будувати електронні формули і енергетичні діаграми атомів;
  • • застосовувати дані про енергію іонізації і енергії спорідненості до електрону для пояснення хімічного поведінки атомів;

володіти

• навичками написання електронних формул атомів в різних станах.

Спектри атомів у видимій і ультрафіолетовій областях. теорія Бора

У зв'язку з питанням про визначення зарядів атомних ядер ми вже познайомилися з рентгенівськими спектрами атомів, що складаються з окремих ліній. Однак спектри атомів у видимій області випромінювання були відомі значно раніше відкриття рентгенівських променів. Спектр виходить після проходження випромінювання від розпеченого газу або пари через призму. Кожному хімічному елементу відповідає свій неповторний колорит. Більшість металів дають дуже складні спектри, що містять величезне число ліній. Наприклад, в спектрі заліза їх налічується до 5000. Зустрічаються і порівняно прості спектри.

Розвиваючи планетарну теорію Резерфорда, учені прийшли до думки, що структура лінійчатих спектрів обумовлена що відбуваються всередині атомів коливаннями електронів. Кожен електрон обертається навколо ядра, причому сила тяжіння ядра врівноважується відцентровою силою, що виникає при русі електрона. Звернення абсолютно аналогічно швидким коливанням електрона і повинно призводити до випускання електромагнітних хвиль. Тому можна припустити, що електрон, що рухається випромінює світло певної довжини хвилі, що залежить від частоти обертання електрона по орбіті. Але, випромінюючи світло, електрон втрачає частину своєї енергії, внаслідок чого порушується стаціонарне рух по орбіті. Втрачаючи енергію, електрон повинен поступово наближатися до ядра. Це тягне за собою зміну частоти обертання і, відповідно, довжини хвилі випромінюваного світла. Вичерпавши свою енергію, електрон повинен впасти на ядро.

Якби все так і було насправді, то атом випромінював би безперервний спектр. Але головне полягає в тому, що атом був би нестійкий, і електрони атома через короткий час падали б на ядро. Таким чином, фізика досягла розуміння загальної схеми пристрою атома, але ще не мала теорії, що пояснює поведінку електронів в атомі.

У 1913 р датський фізик Нільс Бор (1885-1962) запропонував абсолютно нову теорію будови атома, в якій йому вдалося з великим мистецтвом погодити спектральні явища з ядерною моделлю атома, застосувавши до останньої так звану квантову теорію випромінювання, введену в науку німецьким фізиком М . Планком. Сутність теорії квантів зводиться до того, що промениста енергія випромінює не безперервним потоком, як можна охарактеризувати колишні уявлення, а окремими малими, але цілком визначеними порціями - квантами енергії. Запас енергії випромінюючого тіла зменшується стрибками, квант за квантом; дробове число квантів тіло не може ні випромінювати, ні поглинати. Кванти електромагнітного випромінювання отримали назву фотони. Вони розглядаються в якості частинок матерії. Фотони не мають маси спокою і рухаються зі швидкістю світла, так як потік фотонів і являє собою світло.

Енергія фотона залежить від частоти випромінювання v:

де h = 6,626-10 -34 Дж -с - постійна Планка. Частоготой v називається число коливань в одиницю часу; частота дорівнює відношенню шляху, пройденого за одиницю часу (чисельно це швидкість світла с), до довжини хвилі Х

Застосувавши квантові уявлення до звернення електрона навколо ядра, Бор поклав в основу своєї теорії три постулати. Хоча ці постулати і суперечили законам класичної електродинаміки, але вони знайшли своє виправдання в тих разючих результатах, до яких вони призводять, і в тому цілковитої згоди, що проявляється між теоретичними результатами і великим числом експериментальних фактів.

Постулати Бора полягають у наступному.

Електрон може рухатися навколо ядра не по будь-яких орбітах, а тільки

за такими, які відповідають певним умовам, що випливають з теорії квантів.

Ці орбіти одержали назву стаціонарних чи квантових орбіт. Основне припущення Бора складалося в квантуванні моменту кількості руху електрона: він повинен бути рівний nh / 2n. Прирівнюючи цю умову до звичайного механічному висловом для моменту кількості руху, отримуємо

де т - маса електрона, v - швидкість руху, г - радіус орбіти, h - постійна Планка, п - число натурального ряду починаючи з 1. Значення п = 1 відповідає найближчій до ядру орбіті електрона. Число п пізніше було названо головним квантовим числом. Значення п = 2, 3, 4 і т.д. відповідають більш віддаленим від ядра, але дозволеним орбітах електрона. Орбіти, що не задовольняють умові (5.3), заборонені. Перетворюючи рівняння (5.3) так, щоб врахувати силу тяжіння електрона до ядра, можна обчислити радіус першої орбіти електрона і його швидкість руху: г = 53 пм, v = 2,2 • 10 6 м / с.

Радіуси дозволених орбіт для електрона в атомі водню відносяться як квадрати значень головного квантового числа: I 2 : 2 2 : З 2 : ...: п 2 .

Другий постулат Бора говорить наступне.

Якщо електрон рухається по одній з можливих для нього стійких орбіт, то він не випромінює енергії.

Це головне положення, що відрізняє рух електрона в атомі від принципів класичної електродинаміки. Відповідно до класичної електродинаміки електрон, що коливається з певною частотою, випромінює енергію.

Користуючись законами елементарної механіки, можна довести, що запас внутрішньої енергії атома, що складається з ядра і одного електрона, тим більше, чим далі від ядра рухається електрон. У стійкому стані атома, що характеризується мінімальною енергією, електрон знаходиться на найближчій до ядра орбіті. При отриманні енергії ззовні електрон переходить на одну з більш віддалених орбіт, і запас його енергії буде тим більше, чим далі від ядра знаходиться ця орбіта. Якщо отримується енергія досить велика, то електрон може бути відірваний від атома, і атом перетворюється в іон з позитивним зарядом.

Третій постулат Бора.

Перехід електрона з вилученої орбіти на більш близьку супроводжується випромінюванням енергії у вигляді кванта. Частота випромінюваного кванта визначається радіусами вихідної та кінцевої орбіт електрона і відповідними їм енергіями.

Позначивши енергію атома з електроном на більш віддаленій орбіті через Е ь а на більш близькій орбіті через Е х і розділивши втрачену енергію на постійну Планка, отримаємо шукану частоту:

Чим більше відстань між більш віддаленій і ближчою орбітами, тим більше частота випромінювання. На рис. 5.1 представлені енергетичні рівні електрона в атомі водню на чотирьох найближчих до ядра орбітах і деякі з можливих переходів, що супроводжуються появою ліній випромінювання в спектрі. Переходи електрона в зворотному напрямку супроводжувалися б поглинанням енергії і появою ліній поглинання в суцільному спектрі випромінювання, що пройшов через шар атомарного водню.

Чотири нижніх енергетичних рівня електрона в атомі водню

Мал. 5. 1. Чотири нижніх енергетичних рівня електрона в атомі водню

Обчислені звідси частоти ліній в спектрі водню виявилися в точності співпадаючими з частотами, знайденими на досвіді в спектрі водню. Тим самим була доведена правильність розрахунку дозволених орбіт, а разом з тим і справедливість постулатів Бора.

Теорію Бора належало поширити на інші атоми. Головне, що відрізняє всі інші атоми від водню - це наявність двох і більше електронів. Обчислення з теорії Бора давали гарний збіг з спостерігаються лініями в спектрах одноелектронних іонів Чи не *, Li 2 * та ін., Але вже для атома гелію результати обчислень виявлялися незадовільними. Приблизно через 10 років після появи теорії Бора стало остаточно ясно, що потрібно принципову зміну загального підходу до опису поведінки електронів в атомах. До цього часу в основному закінчилася розробка нової теорії для механіки мікрочастинок - квантової , або волповой } механіки. Теорія Бора стала лише окремим випадком квантової механіки, які можуть застосовуватися до одноелектронного системам.

 
<<   ЗМІСТ   >>